CN108446478A - 一种多组元高强度钛合金的设计方法 - Google Patents

一种多组元高强度钛合金的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多组元高强度钛合金的设计方法，包括以下步骤：1.熔铸所研究体系特定成分的合金铸锭；2.把合金铸锭切割所需尺寸的立方体形状；3.制备多元扩散节。4.把制备的扩散多元节进行真空扩散退火。5.把扩散退火后的扩散多元偶进行固溶和时效处理。测定时效处理后的多元扩散偶某一原合金区域内不同地方的某一成分合金的显微组织和显微硬度，之后确定此合金所对应的特定成分，建立钛合金“成分‑组织‑硬度”对应关系的数据库。7.根据该数据库，进行高强度钛合金的成分设计。与传统合金法相比，该方法省时省力，快速高效，加快了合金设计进程；与其他合金快速设计方法相比，本方法更具有针对性，具有很强的实用价值。

Description

一种多组元高强度钛合金的设计方法
技术领域
本发明涉及钛合金设计技术领域，尤其涉及一种多组元高强度钛合金的快速设计方法。
背景技术
由于钛合金具有较高的强度和较低的密度，成为一种重要的轻质结构材料，在航空航天领域得到了广泛的应用且具有良好的发展前景。在当代社会飞速发展的潮流下，我国航空航天工业也得到了长足的发展，因此对各类型钛合金的需求越来越多，对钛合金性能的要求也越来越高。目前，钛合金使用技术水平较高的主要有美国，俄罗斯和日本。我国的钛合金工业起自上世纪60年代，并取得了长足的发展，但由于基础薄弱等一些因素，我国在钛合金方面尤其是高强度钛合金与国外仍有一定差距，主要表现在自主创新研发能力较弱，多数处于模仿与仿制阶段。所以我国要想达到甚至超过国外水平，加强自身的自主创新能力，开发出具有自主知识产权和具有世界一流水平的自主牌号的高强度钛合金显得尤为重要。
目前，国内研究人员对于高强度钛合金的研发进行了广泛的探索，但由于研究方法的局限性，针对多组元高强度钛合金的基础研究和产品研制还存在一些问题。1.钛合金中合金化元素众多，且微化合金元素在钛合金中所占质量比较大，如β21S(Ti15V3Al3Cr3Sn)和Ti15-3(Ti15Mo3Al3Nb0.25Si)高强度合金，仅Mo和V在合金中分别所占比就达到了15wt.％。而常规合金法实验所涉及的合金成分范围偏窄，且难以精确确定各个合金元素的含量；先前的一些扩散多元节的合金设计方法，通常选用纯金属来制作扩散多元节，目的性不强，且所进行实验的合金成分是离散分布的，一些可能存在的优越性能的成分可能被错过。2.如果要精确确定合金成分，传统合金法需要做大量实验为基础，将会有很大的经济消耗而且试验周期很长，极其费时费力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种快速高效、可靠、成功率高的多组元高强度钛合金的设计方法。通过该材料设计方法，可以快速获得合金“成分-组织-硬度”的对应关系，进而针对性的进行合金设计，与传统方法相比，该方法可获得更大范围的合金成分，精确确定合金成分，而且快速高效，省时省力。用这种方法进行高强度钛合金成分设计，具有很强的实用价值。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种多组元高强度钛合金的设计方法，包括以下步骤：
(1)按照配比，分别称取原料，熔炼后成型钛合金a、钛合金b、钛合金c、钛合金d和钛合金e共五种成分的钛合金铸锭；
(2)将步骤(1)所得的五种钛合金铸锭切割形成设定尺寸的立方体；
(3)将步骤(2)中的立方体按照钛合金a、钛合金b和钛合金c的顺序依次堆叠并固定，烧结后得到三元扩散节A；将步骤(2)中的立方体按照钛合金a、钛合金b和钛合金d的顺序依次堆叠并固定，烧结后得到三元扩散节B；
(4)将步骤(2)中剩余的立方体以及步骤(3)所得的三元扩散节按照长度方向上顺序依次为钛合金d、三元扩散节A、钛合金e、三元扩散节B和钛合金c的方式堆叠并固定，烧结后得到多元扩散节；所述多元扩散节中，三元扩散节A高度方向上的合金顺序依次为钛合金a、钛合金b和钛合金c，三元扩散节B高度方向上的合金顺序依次为钛合金a、钛合金b和钛合金d；
(5)将步骤(4)所得的多元扩散节进行扩散退火处理，得到多元扩散偶；
(6)将步骤(5)所得的多元扩散偶进行固溶处理，再进行时效处理；
(7)在时效处理后的多元扩散偶合金最多的表面按设定的方式划分区域，并测定各区域的成分、组织和硬度，建立“成分-组织-硬度”对应关系的钛合金数据库；
(8)在步骤(7)所得的钛合金数据库中，选择符合设计要求的钛合金。
优选的，所述钛合金a为Ti6Al4V45Zr，所述钛合金b为Ti6Al4V，所述钛合金c为Ti6Al4V20Mo，所述钛合金d为Ti6Al4V20Cr，所述钛合金e为Ti6Al4V20Fe。
优选的，所述扩散退火的温度为1150～1250℃，扩散时间为100～150h。
优选的，所述固溶处理的温度为1000～1100℃，时间为5～7h。
优选的，所述时效处理温度为550～650℃，时间为5～7h。
优选的，所述三元扩散节A、三元扩散节B和多元扩散节的烧结温度均为950～1050℃，时间均为3～5h。
优选的，所述区域阵列的相邻单元中心之间的距离为100～200μm。
优选的，所述步骤(8)之后，还包括：根据选择符合设计要求的钛合金的成分配比，称取原料，熔炼，锻造及热处理，最后进行拉伸性能检测，选择硬度和拉伸性能匹配最优的钛合金
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用多组元合金扩散偶的实验方法，并根据多年的理论研究和实践探索经验设计了最优的多组元合金扩散节，快速获得了钛合金“成分-组织-硬度”的关系，通过合金的组织形貌和硬度来筛选成分。首先通过合金的硬度可以确定合金可以达到较高的强度，同时根据合金组织形貌和一些钛合金相关知识确定合金在熔铸过程不会产生脆性相，这样合金的塑性可以通过后期的热加工和热处理来调控，从而确定钛合金可以达到良好的强塑性匹配。通过使用本发明所设计的几款高强度钛合金，经测试均可达到较好的强塑性匹配，说明本发明所提供的方法所设计出的合金成功率较高，该方法可靠有效。
附图说明
图1为实施例1的两个三元扩散节的示意图。
图2为实施例1的多元扩散节的示意图。
图3为实施例1的多元扩散偶成分区域划分图。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
一种多组元高强度钛合金的设计方法，包括以下步骤：
(1)按照配比，分别称取原料，熔炼后成型Ti6Al4V45Zr、Ti6Al4V、Ti6Al4V20Mo、Ti6Al4V20Cr和Ti6Al4V20Fe共五种成分的钛合金铸锭；
(2)采用线切割切对上述五种成分的钛合金铸锭进行切割，具体为：尺寸为12mm×12mm×10mm的Ti6Al4V合金2块，尺寸为12mm×12mm×3mm的Ti6Al4V45Zr合金2块，Ti6Al4V20Cr和Ti6Al4V20Mo合金各1块，尺寸为16mm×12mm×3mm的Ti6Al4V20Cr、Ti6Al4V20Fe和Ti6Al4V20Mo合金各一块。先用砂纸打磨合金表面氧化皮，之后对表面进行抛光，备用。
(3)如图1所示，使用钢制夹具制作两个三明治式结构Ti6Al4V45Zr-Ti6Al4V-Ti6Al4V20Mo和Ti6Al4V45Zr-Ti6Al4V-Ti6Al4V20Cr，夹具和样品之间用Ta箔隔开，之后使用真空烧结炉在1000℃内烧结4小时；得到两个三元扩散节，记为：三元扩散节A(Ti6Al4V45Zr-Ti6Al4V-Ti6Al4V20Mo)和三元扩散节B(Ti6Al4V45Zr-Ti6Al4V-Ti6Al4V20Cr)。之后把两个三元扩散节从夹具内取出，磨去表面氧化皮、抛光，把这两个扩散节和步骤(2)剩余的三个合金块用夹具制备一个如图2所示的Ti6Al4V45Zr-三元扩散节A-Ti6Al4V20Fe-三元扩散节-Ti6Al4V20Mo多层夹芯结构，之后用真空烧结炉在1000℃真空烧结4小时，得到多元扩散节。将多元扩散节从夹具中取出样品，表面打磨抛光，酒精清洗后晾干备用。
(4)把多元扩散节样品密封在冲入氩气的石英管内，样品在1200℃扩散退火120小时，得到多元扩散偶。
(5)把多元扩散偶从石英管内取出，在1050℃真空退火6小时后淬火(固溶处理)，之后把样品从纵截面使用线切割切出相同的两份，一份备用，另一份在600℃真空退火6小时后空冷(时效处理)。
(6)使用显微硬度在经时效处理后的样品含合金成分最多的表面，即如图3所示原Ti6Al4V合金区域内进行均匀打点，在三元扩散区域内，打出矩形方阵，每个点前后左右距离可定为(100～200μm)；在二元区域内，打出两列硬度压痕点阵。距离每隔硬度压痕的硬度值以及所在位置。使用电子探针和扫描电镜，检测并确定每个压痕所在区域的合金成分和显微组织，对所获得实验数据进行综合分析，建立钛合金“成分-组织-硬度”对应关系的数据库。
(7)根据所建立数据库，选择合金硬度为最高值所对应的的合金成分，同时分析其显微组织和相组成，选择最优合金成分。
(8)熔铸步骤7中所设计的钛合金，之后进行锻造及热处理，其中开坯锻造在所设计合金α/β相变点以上150～200℃，终锻温度在α/β相变点以下50℃左右；之后进行固溶时效处理，固溶温度在α/β相变点以上50℃到α/β相变点以下150℃范围内，时效温度在400～650℃范围内。对合金进行锻造加工热处理后，进行拉伸性能检测。
根据本实施例的钛合金“成分-组织-硬度”对应关系的数据库研究不同Fe含量对Ti6Al4V合金硬度的影响，选择最优的Ti6Al4V-xFe合金过程如下：
利用时效状态下的Ti6Al4V-Ti6Al4V20Mo-Ti6Al4V45Zr-Ti6Al4V20Cr-Ti6Al4V20Fe扩散多元节，目标研究体系为Ti6Al4V-Ti6Al4V20Fe扩散偶，研究不同Fe含量对Ti6Al4V合金硬度的影响，即Ti6Al4V-xFe合金硬度变化规律，通过纳米压痕和电子探针快速得到合金的硬度数据如表1所示：
表1 Ti6Al4V-xFe合金硬度变化规律
通过数据分析得到当Fe含量约为5％时合金具有最高的硬度，因此选择Ti6Al4V5Fe合金作为目标合金。
熔铸并锻造Ti6Al4V5Fe合金，之后进行锻造及热处理，其中开坯锻造在Ti6Al4V5Fe合金α/β相变点以上150～200℃，终锻温度在α/β相变点以下50℃左右；之后进行固溶时效处理，固溶温度在α/β相变点以上50℃到α/β相变点以下150℃范围内，时效温度在400～650℃范围内。对合金进行锻造加工热处理后，进行拉伸性能检测，最终Ti6Al4V5Fe合金的拉伸性能如表2所示：
表2 Ti6Al4V5Fe合金的性能表
结果表明，采用本发明提供的实验方法设计出的Ti6Al4V5Fe钛合金，在加工热处理之后，合金强度可达到1345MPa，伸长率可到达8.5％合金具有良好的强塑性匹配。
根据本实施例的钛合金“成分-组织-硬度”对应关系的数据库研究不同Cr含量对Ti6Al4V合金硬度的影响，选择性能最优的Ti6Al4V-xCr合金过程如下：
利用时效状态下的Ti6Al4V-Ti6Al4V20Mo-Ti6Al4V45Zr-Ti6Al4V20Cr-Ti6Al4V20Fe扩散多元节，目标研究体系为Ti6Al4V-Ti6Al4V20Cr扩散偶，研究不同Cr含量对Ti6Al4V合金硬度的影响，即Ti6Al4V-xCr合金硬度变化规律，通过纳米压痕和电子探针快速得到合金的硬度数据如表3所示：
表3 Ti6Al4V-xCr合金硬度变化规律
通过数据分析得到当Cr含量约为6％时合金具有最高的硬度，因此选择Ti6Al4V6Cr合金作为目标合金。
熔铸并锻造Ti6Al4V6Cr合金，之后进行锻造及热处理，其中开坯锻造在Ti6Al4V6Cr合金α/β相变点以上150～200℃，终锻温度在α/β相变点以下50℃左右；之后进行固溶时效处理，固溶温度在α/β相变点以上50℃到α/β相变点以下150℃范围内，时效温度在400～650℃范围内。对合金进行锻造加工热处理后，进行拉伸性能检测，最终Ti6Al4V6Cr合金的拉伸性能如表4所示：
表4 Ti6Al4V6Cr合金的性能表
结果表明，采用本发明提供的实验方法设计出的Ti6Al4V6Cr合金，在加工热处理之后，合金强度可达到1329MPa，伸长率可到达7.6％合金具有良好的强塑性匹配。
根据本实施例的钛合金“成分-组织-硬度”对应关系的数据库研究不同Mo含量对Ti6Al4V合金硬度的影响，选择性能最优的Ti6Al4V-xMo合金的过程如下：
利用时效状态下的Ti6Al4V-Ti6Al4V20Mo-Ti6Al4V45Zr-Ti6Al4V20Cr-Ti6Al4V20Fe扩散多元节，目标研究体系为Ti6Al4V-Ti6Al4V20Mo扩散偶，研究不同Mo含量对Ti6Al4V合金硬度的影响，即Ti6Al4V-xMo合金硬度变化规律，通过纳米压痕和电子探针快速得到合金的硬度数据如表5所示：
表5 Ti6Al4V-xMo合金硬度变化规律
通过数据分析得到当Mo含量约为6％时合金具有最高的硬度，因此选择Ti6Al4V6Mo合金作为目标合金。
熔铸并锻造Ti6Al4V6Mo合金，之后进行锻造及热处理，其中开坯锻造在Ti6Al4V6Mo合金α/β相变点以上150～200℃，终锻温度在α/β相变点以下50℃左右；之后进行固溶时效处理，固溶温度在α/β相变点以上50℃到α/β相变点以下150℃范围内，时效温度在400～650℃范围内。对合金进行锻造加工热处理后，进行拉伸性能检测，最终Ti6Al4V6Mo合金的拉伸性能如表6所示：
表6 Ti6Al4V6Mo合金的性能表
结果表明，采用本发明提供的实验方法设计出的Ti6Al4V6Mo合金，在加工热处理之后，合金强度可达到1417MPa，伸长率可到达6.4％合金具有良好的强塑性匹配。
以上结果表明，本方法设计出的三款钛合金均可获得良好的强塑性匹配。本发明利用扩散多元节的实验方法，进行多元高强度钛合金材料的成分设计，通过该材料设计方法，可以快速准确的获得合金成分-组织-性能的对应关系，进而针对性的进行合金设计，得到最优合金成分；而且快速高效，省时省力具有很强的实用价值。采用本方法所设计的上述三种高强度钛合金均可获得良好的综合性能，可见该方法有效可靠。与传统合金法相比，该材料设计方法目的性更强，缩短了试验周期，加快了合金设计进程。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (8)

1.一种多组元高强度钛合金的设计方法，包括以下步骤：
(1)按照配比，分别称取原料，熔炼后成型钛合金a、钛合金b、钛合金c、钛合金d和钛合金e共五种成分的钛合金铸锭；
(2)将步骤(1)所得的五种钛合金铸锭切割形成设定尺寸的立方体；
(3)将步骤(2)中的立方体按照钛合金a、钛合金b和钛合金c的顺序依次堆叠并固定，烧结后得到三元扩散节A；将步骤(2)中的立方体按照钛合金a、钛合金b和钛合金d的顺序依次堆叠并固定，烧结后得到三元扩散节B；
(4)将步骤(2)中剩余的立方体以及步骤(3)所得的三元扩散节按照长度方向上顺序依次为钛合金d、三元扩散节A、钛合金e、三元扩散节B和钛合金c的方式堆叠并固定，烧结后得到多元扩散节；所述多元扩散节中，三元扩散节A高度方向上的合金顺序依次为钛合金a、钛合金b和钛合金c，三元扩散节B高度方向上的合金顺序依次为钛合金a、钛合金b和钛合金d；
(5)将步骤(4)所得的多元扩散节进行扩散退火处理，得到多元扩散偶；
(6)将步骤(5)所得的多元扩散偶进行固溶处理，再进行时效处理；
(7)在时效处理后的多元扩散偶合金最多的表面中的原钛合金b所在的区域内，按设定的方式划分子区域，并测定各子区域的成分、组织和硬度，建立“成分-组织-硬度”对应关系的钛合金数据库；
(8)在步骤(7)所得的钛合金数据库中，选择符合设计要求的钛合金。
2.根据权利要求1所述的多组元高强度钛合金的设计方法，其特征在于，所述钛合金a为Ti6Al4V45Zr，所述钛合金b为Ti6Al4V，所述钛合金c为Ti6Al4V20Mo，所述钛合金d为Ti6Al4V20Cr，所述钛合金e为Ti6Al4V20Fe。
3.根据权利要求2所述的多组元高强度钛合金的设计方法，其特征在于，所述扩散退火的温度为1150～1250℃，扩散时间为100～150h。
4.根据权利要求3所述的多组元高强度钛合金的设计方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为1000～1100℃，时间为5～7h。
5.根据权利要求4所述的多组元高强度钛合金的设计方法，其特征在于，所述时效处理温度为550～650℃，时间为5～7h。
6.根据权利要求5所述的多组元高强度钛合金的设计方法，其特征在于，所述三元扩散节A、三元扩散节B和多元扩散节的烧结温度均为950～1050℃，时间均为3～5h。
7.根据权利要求1～6任一项所述的多组元高强度钛合金的设计方法，其特征在于，所述相邻子区域中心之间的距离为100～200μm。
8.根据权利要求1～6任一项所述的多组元高强度钛合金的设计方法，其特征在于，所述步骤(8)之后，还包括：根据选择符合设计要求的钛合金的成分配比，称取原料，熔炼，锻造及热处理，最后进行拉伸性能检测，选择硬度和拉伸性能匹配最优的钛合金。
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